导读

线粒体DNA（mtDNA）可编码氧化磷酸化和代谢平衡的重要机制。据统计，约50%癌症患者的mtDNA存在突变，但这些突变是否会影响肿瘤生物学还存在争议。近期研究表明，mtDNA突变能够影响癌症的复发，但在体细胞中观察到的大多数变异在线粒体疾病中并未被检测到。

线粒体复合物I是细胞内最大的膜蛋白复合物之一，相关基因的热点截短突变（truncating mutation）是多种癌症的共同特征。与编码呼吸复合物III、IV和V3的基因突变相比，复合物I的截短突变（尤其是MT-ND5）所占比例较高。由于复合体I是NADH氧化的主要位点，科研人员推测复合体I截短突变会的近端影响将是NADH：使泛醌氧化还原酶活性的丧失，从而导致氧化还原失衡，并对细胞代谢产生广泛的下游影响。

近日，英国苏格兰癌症研究所和美国MSK癌症中心的研究人员合作在Nature Cancer上发表了题为“Mitochondrial DNA mutations drive aerobic glycolysis to enhance checkpoint blockade response in melanoma”的文章。研究团队将mtDNA编码的复合体I基因Mt-Nd5的截短突变引入几个小鼠黑色素瘤模型中，发现这些突变促进了类似Warburg的代谢转变，重塑了小鼠和人类的肿瘤微环境，并持续激发了以驻留中性粒细胞丧失为特征的抗肿瘤免疫反应。此外，与mtDNA突变低水平（＜50%）癌症患者相比，mtDNA突变高水平（＞50%）患者对免疫检查点阻断疗法的反应率提高约2.5倍。上述数据表明，mtDNA突变是癌症代谢和肿瘤生物学的功能调节因子，具有治疗开发和治疗分层的潜力。

文章发表在Nature Cancer

主要研究内容

mtDNA碱基编辑诱导Mt-Nd5截短突变

仅有16%-19%的黑色素瘤携带复合物I基因截短突变，为此，研究团队利用碱基编辑技术合成了具有Mt-Nd5中m.12436G>A、m.11944G>A核输出信号的TALE- DddA衍生胞嘧啶碱基编辑器（DdCBE）G1397/G1333候选基因，并在小鼠B78-D14无色素黑色素瘤细胞中进行了筛选，以确定有效的配对。m.12436G>A的等位基因细胞群具有约40%、60%或80%的突变异质性（m.1243640%、m.1243660%、m.1243680%）；m.11944G>A具有约40%或60%的截短突变（m. 1194440%、m.1194460%）。得到的稳定等基因细胞系显示，复合体I亚基Ndufb8表达的异质性依赖下降，而对其他呼吸链亚基没有实质性影响。

后续系列实验也证实，Mt-Nd5的截短突变对复合物I的组装产生异质依赖性影响；相反，复合物I的部分缺失会破坏细胞氧化还原平衡，但不会实质性影响细胞能量稳态、基因表达或细胞增殖。此外，复合物I的Mt-Nd5截短突变可通过氧化还原失衡而诱发Warburg样代谢状态，但非能量危机。

图1. 线粒体碱基编辑产生两个Mt-Nd5截短突变细胞系

mtDNA突变重塑肿瘤免疫格局

在确定了复合物I截短突变驱动的氧化还原代谢的特定变化后，研究团队进一步探讨了这些代谢变化在肿瘤生物学中的影响；在免疫功能正常的C57/Bl6小鼠皮下进行了m.11,944G>A细胞、m.12,436G>A细胞和野生型对照组的同种异体移植，100%的移植细胞都生成了肿瘤。结果显示，所有肿瘤的生长速度都达到了相似的人类终点，具有相似的重量和宏观组织学外观。与对照组相比，mtDNA突变肿瘤中几个改变免疫信号的指标显著升高，特别是异体移植排斥反应、干扰素-γ（IFNγ）和干扰素-α（IFNα）反应和IL介导的细胞因子信号转导。 

为将上述发现与人类数据进行对比，研究团队根据mtDNA突变状态将Hartwig医学基金会（HMF）数据库中转移性黑色素瘤队列中的患者分为野生型和>50%变异等位基因频率（VAF）组，共产生355个肿瘤样本（272个野生型），其中233个具有转录图谱。基因集富集分析（GSEA）显示，具有高异质性致病性mtDNA突变的患者肿瘤与该研究模型系统中识别的患者肿瘤之间具有一致的转录表型。

基于单细胞转录组分析，研究团队发现在高异质性肿瘤中，恶性细胞中的IFNα和IFNγ信号增加，糖酵解信号减少；此外，免疫抑制性的中性粒细胞、巨噬细胞和单核细胞的减少以及促炎性巨噬细胞数量的增加进一步支持了这些广泛抗肿瘤免疫反应的指标。上述数据表明，在异质性依赖方式下，Mt-Nd5突变足以重塑肿瘤微环境并促进抗肿瘤免疫反应。

图2. mtDNA突变重塑肿瘤免疫微环境

mtDNA突变使肿瘤对免疫检查点阻断疗法更敏感

目前，常见的恶性黑色素瘤治疗方法是免疫检查点阻断疗法（ICB），即使用针对T细胞表达的免疫检查点受体PD1的单克隆抗体，阻断PD-L1和PD-L2的结合从而限制肿瘤诱导的免疫耐受。但黑色素瘤患者中，抗pd1治疗的有效性和ICB应答情况差异较大，有相当大比例的患者表现出对治疗的有限或无反应，预后较差。

为探究Mt-Nd5截短突变所引起的肿瘤免疫微环境（TIME）改变是否影响肿瘤对ICB的敏感性，即使是在免疫原性差的黑色素瘤侵袭性模型（B78-D14）中，研究团队将m.1243640%、m.1243660%、m.1243680%、m.1194440%、m.1194460%肿瘤细胞皮下种植在免疫功能正常的动物中，7天内未进行治疗，随后每3天给动物腹腔注射抗PD1单克隆抗体，直到该实验在21天的固定时间内结束。结果显示，在所有mtDNA突变肿瘤中，到终点时肿瘤重量的异质性下降，突变异质性较高的肿瘤表现出对治疗反应更大，这与mtDNA突变肿瘤对免疫治疗敏感性增加一致。

图3. mtDNA突变使肿瘤对ICB更敏感

氧化还原失衡控制免疫调节作用

为确定TIME改变导致的ICB应答增强是否由原发部位的细胞非自主代谢或分泌因子驱动，研究团队将骨髓来源细胞和脾细胞培养物一起进行条件培养基转移，结果表明对于mtDNA突变来源的条件培养基，无实质性免疫信号激活差异。此外，结合代谢检测结果显示，mtDNA突变肿瘤的代谢图谱发生了细微变化，并支持了细胞氧化还原平衡的改变。因此，在没有与mtDNA突变相关的更广泛的代谢改变情况下，细胞氧化还原平衡的改变足以使肿瘤对ICB敏感。

为将上述来自小鼠的研究结果与临床数据进行比较，研究团队重新分析了一组先前报道的、特征良好、接受抗PD1单克隆抗体Nivolumab治疗的转移性黑色素瘤患者。通过鉴定mtDNA突变型癌症，并仅根据癌症mtDNA突变状态将患者队列进行分层，该队列中的70名患者被分为3组：mtDNA野生型、＜50% VAF和＞50% VAF。结果显示，mtDNA突变初始状态队列对Nivolumab的部分或完全应答率为22%；＞50% VAF的mtDNA突变患者的应答率比野生型或小于50%VAF患者高2.6倍。

图4. mtDNA野生型和突变患者对ICB疗法的应答

结 语

该研究结果显示在人类肿瘤中常见的mtDNA突变可以对癌细胞代谢产生直接影响，这提示通过定期检测线粒体DNA突变，医生能够在开始治疗之前确定哪些患者将从免疫疗法中获益最多。研究团队还表示，模仿线粒体DNA突变的效果可使顽固性癌症对免疫治疗更敏感，从而使成千上万的癌症患者受益于这种开创性的治疗方法。

据悉，该研究使用的相关技术现已被英国苏格兰癌症研究中心申请了专利，这也将有助于将这项技术推向市场，从而开发出新的治疗方法。

参考文献：

Mahmood, M., Liu, E.M., Shergold, A.L. et al. Mitochondrial DNA mutations drive aerobic glycolysis to enhance checkpoint blockade response in melanoma. Nat Cancer （2024）. https://doi.org/10.1038/s43018-023-00721-w.

Tags： Nature Cancer：首次证明线粒体DNA突变与癌症治疗反应之间的直接关系！可将免疫治疗效果提高2.5倍